EMC v technické praxi I: Legislativní požadavky

EMC v technické praxi I: Legislativní požadavky

Jaroslav Žáček, Karel Künzel

Předpisy a normy vztahující se k elektromagnetické kompatibilitě v současné době procházejí rychlým vývojem – jsou připravovány a uváděny v platnost nové normy, které zpřesňují požadavky na emise a odolnost elektrotechnických zařízení a rozšiřují jejich působnost na další skupiny elektrotechnických výrobků. Článek se zabývá především významnou připravovanou změnou legislativy představovanou novou evropskou směrnicí o EMC, uvádí důvody a proces jejího vzniku i zásadní změny, které přináší. Tato směrnice nově formuluje požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu v oblasti tzv. pevných instalací, kde se na jejich plnění budou kromě výrobců elektrických výrobků podílet i projektanti, realizátoři a provozovatelé těchto systémů. V článku jsou shrnuty hlavní úkoly, které z této nové směrnice pro ně vyplývají. Článek je první částí připravovaného seriálu věnovaného konkrétním opatřením a postupům technické praxe při zajišťování EMC pevných instalací.

1. Úvod

Elektromagnetická kompatibilita (Electromagnetic Compatibility – EMC) je v současné době jedním z neopominutelných technických požadavků na jakékoliv provozované či nově projektované elektrotechnické zařízení. Tento požadavek lze formulovat zcela prostě (viz [4]): Zařízení musí být navrženo a vyrobeno tak, aby bylo, s přihlédnutím k dosaženému stavu techniky, zajištěno, že:

a) elektromagnetické rušení, které způsobuje, nepřesáhne úroveň, za níž jiné rádiové a telekomunikační zařízení nebo jiné zařízení není schopné fungovat tak, jak má,

b) úroveň odolnosti zařízení vůči elektromagnetickému rušení předpokládanému při používání k danému účelu mu dovoluje fungovat bez nepřijatelného zhoršení určených funkcí.

Současné tempo a směr rozvoje elektrotechniky však způsobují, že tyto jednoduché a snadno pochopitelné základní požadavky bývá stále obtížnější splnit. Na jedné straně je to způsobeno nárůstem instalovaného výkonu (počtu zařízení i jejich výkonu) zejména výkonových polovodičových měničů a také nárůstem jejich pracovních kmitočtů. Nyní se již lze nikoliv jen v ojedinělých případech setkat s tranzistorovými spínanými zdroji o výkonu jednotek kilowattů při pracovním kmitočtu řádově až stovky kilohertzů. U takových zařízení je možné právem očekávat, že budou emitovat nežádoucí rušivé signály. S jistou nadsázkou lze říci, že se zde sbližuje technika napájecích zdrojů a rádiových vysílačů, klasická silnoproudá elektrotechnika s vysokofrekvenční elektronikou.

Na druhé straně se současná elektrotechnická zařízení neobejdou bez řídicí, komunikační a zabezpečovací elektroniky zpravidla realizované integrovanou mikroprocesorovou technikou s velkou hustotou integrace. Zde se neustále zmenšují zpracovávané úrovně výkonu a napětí, takže se obvody stávají citlivějšími na rušivé signály.

2. Současná legislativa

Již naznačená realita vede k tomu, že společnost (stát) důsledně dbá, aby na trhu byla nabízena pouze taková zařízení, která splňují uvedené základní požadavky elektromagnetické kompatibility. V rámci Evropské unie (EU) splnění tohoto požadavku legislativně zajišťuje Směrnice Rady 89/336/EHS o sbližování právních předpisů členských států ohledně elektromagnetické kompatibility, jež byla vydána v roce 1989 a průběžně upravována dalšími aktualizujícími směrnicemi (viz [1]). V jednotlivých členských státech EU roli uvedené směrnice přejímají státní právní předpisy, v ČR konkrétně nařízení vlády č. 18/2003 Sb. v návaznosti na zákon č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky ([2], [3]).

Stručně řečeno, uvedené nařízení vlády předepisuje výrobcům, aby zajistili splnění základních požadavků na EMC, popř. dalších požadavků předepsaných dalšími nařízeními vlády, které se na výrobek vztahují, tím, že:

• výrobek je ve shodě s harmonizovanými českými technickými normami, popř. odpovídajícími zahraničními normami,

• jestliže výrobce uvedené normy nepoužil, použil jen částečně nebo takové normy neexistují, doloží postupy použité k zajištění splnění základních požadavků.

Takto dosaženou shodu výrobce osvědčí vydáním stanoveného prohlášení o shodě a označením výrobku značkou CE. Poté může být výrobek uveden na trh v rámci celé EU.

Z toho je zřejmé, že současná legislativa uvaluje veškerou zodpovědnost za elektromagnetickou kompatibilitu na výrobce. Existuje však široká skupina elektrických zařízení, jež tato legislativa plně nepostihuje. Jsou to elektrické systémy tvořené jednotlivými výrobky (přístroji) i dalším příslušenstvím, jako jsou např. propojovací silové a datové kabely instalované až na místě použití přímo při montáži, které mohou elektromagnetickou kompatibilitu systému jako celku podstatně ovlivnit. Tato skutečnost spolu s dalšími připomínkami, které se v průběhu platnosti současné evropské směrnice objevily, vedly k potřebě tuto směrnici podstatně inovovat.

3. Nová legislativa

Legislativní zajištění zdánlivě jednoduchých požadavků skutečně není snadné. Vše neřešil ani dříve používaný direktivní systém norem, v němž byli výrobci nuceni plnit požadavky norem na konkrétní výrobky nebo skupiny výrobků. Celkem logicky se tudíž snažili vymanit posuzované zařízení z působnosti norem, protože si pak mohli požadavky stanovovat sami. Současný postup zavedený v EU je opačný. Navozuje situaci, kdy použití nezávazných norem je pro výrobce nejsnadnější cestou, jak se vypořádat s obecnými požadavky směrnic či s nařízeními vlády. Složitost a rozmanitost problematiky však vedou k poměrně složitému byrokratickému systému. Už jen překlady norem do národních verzí s sebou nesou mnoho nepřesností a problémů. Dalším podstatným vlivem jsou dílčí zájmy zejména zástupců výrobní sféry podílejících se na přípravě norem, ačkoliv jinak je jejich účast na normotvorné činnosti nezbytná. Přestože to tak ve výsledku nevypadá a mnoho uživatelů norem si myslí pravý opak, tvůrci legislativního prostředí jsou si těchto skutečností vědomi. Proto byla směrnice o EMC poměrně brzy po svém vydání podrobena procesu SLIM (Simple Legislation for the Internal Market), kdy cílem bylo odstranit množství nedostatků, zjednodušit a vyjasnit způsob použití této i navazujících norem. Procedura SLIM byla použita pro nejrůznější oblasti společného evropského trhu. Elektromagnetická kompatibilita byla zahrnuta do třetí fáze „zjednodušovacího„ procesu jako jedna z prvních „technických„ otázek. Z tohoto postupu je zřejmá důležitost řešení otázek EMC pro volný pohyb zboží na společném trhu.

Obr. 1. Časový harmonogram vývoje evropské směrnice o EMC a odpovídajících nařízení vlády ČR (NV – nařízení vlády ČR, SLIM – označení procesu zjednodušování legislativy pro vnitřní trh EU)

Z analýzy vyplynulo dvacet doporučení, včetně doporučení přepracovat směrnici o EMC a upravit návazný systém norem. Analýza byla podpořena také vyžádanými nezávislými expertizami, které překvapivě podrobně mapovaly situaci od klasifikace jevů spjatých s EMC, přes měření a posuzování shody po otázky přehlednosti a použitelnosti norem. Ani tyto zprávy se nevyhýbaly problémům vlivů různých zájmových skupin. Časový harmonogram celého procesu je zřejmý z obr. 1; je završen zahrnutím nové směrnice o EMC [4] do zákonodárství jednotlivých členských států EU. V obr. 1 jsou zahrnuty podstatné události v oblasti legislativy EU ohledně staré a nové směrnice o EMC i legislativy o EMC v ČR, včetně jejich zaváděcích a přechodných období. Až do července 2001 byla v ČR situace komplikována problémy se vzájemným uznáváním zkoušek, posuzováním shody a vymahatelností práva „přes hranice„. Situaci vyřešil protokol k evropské dohodě o posuzování shody PECA, který vzájemné posuzování shody a vzájemnou akceptaci výrobků posunul v předstihu před plným členstvím ČR v EU téměř na úroveň tohoto členství. Odstranění administrativních překážek bránících volnému pohybu zboží mělo mnohem větší význam, než odpovídalo celkem minimální pozornosti věnované přijetí protokolu PECA v českých médiích. Vlastní členství v EU mimo jiné také znamená, že dokumenty Evropské komise jsou vydávány i v českém jazyce. Mezitím vedl proces SLIM k přepracování textu směrnice o EMC a po potřebném připomínkování a schvalovacím procesu k jejímu přijetí na konci roku 2004. Současně je obr. 1 také ilustrací poměrné zdlouhavosti celého procesu. Od zařazení směrnice o EMC do procesu SLIM až po její uvedení do plné platnosti uplyne téměř deset let.

Názorem autorů je, že je nutné si stále uvědomovat, že směrnice o EMC a návazné normy jsou „pouze„ prostředkem a jako takové se mohou stát buď potřebným nástrojem, nebo také nepříjemným protivníkem ve snaze dosáhnut shody, resp. nerušeného a nerušícího provozu zařízení. Některé normy proto obsahují části, které jsou spíše technickým návodem, jak řešit zadaný problém.

4. Požadavky na EMC pevných instalací

Nová evropská směrnice o EMC [4], která bude od roku 2007 převzata i do české legislativy, zavádí mnoho změn, které spočívají především ve zjednodušení a zpřesnění procesu posuzování a prokazování shody elektrických zařízení. V tomto článku, zaměřeném především na širokou technickou praxi, se autoři soustředí zejména na nově zaváděný pojem pevné instalace. Směrnice rozlišuje dvě kategorie elektrických zařízení:

• přístroj – hotový přístroj nebo sestava přístrojů komerčně dostupná jako samostatný funkční celek určený pro konečného uživatele; tento přístroj nebo celek způsobuje elektromagnetické rušení nebo může mít elektromagnetické rušení vliv na jeho chod,

• pevná instalace – určitá sestava několika druhů přístrojů, případně prostředků, jež jsou zkompletovány, instalovány a určeny k trvalému používání na předem daném místě.

Zatímco přístroje jako komerčně dostupné výrobky jsou známy ze současné praxe používání nařízení vlády 18/2003 Sb. [2], které se na ně vztahuje, pevné instalace zpravidla představují rozsáhlejší elektrický systém, sestavený z běžně komerčně dostupných přístrojů, výrobků určených k zabudování do dané pevné instalace a jinak běžně komerčně nedostupných, propojovacích silových a datových kabelů a dalších prostředků. Tento systém je pevně instalován v daném místě, obvykle stavebním objektu, a je projektován a realizován pro jednoho konkrétního provozovatele. Příklady pevných instalací mohou být velké automatické vodárny, klimatizační systémy nebo výtahové systémy v budovách, dopravní a manipulační systémy ve skladech apod.

Obr. 2. Příklad pevné instalace

Na obr. 2 je jako další příklad pevné instalace uvedeno zjednodušené přehledové schéma technologického výrobního centra. Ve schématu jsou znázorněny (černě) hlavní části pevné instalace, sestavené jak z komerčně dostupných přístrojů, tak z výrobků určených výhradně k zabudování do tohoto systému a jinak komerčně nedostupných. Vedle toho schéma obsahuje silové kabely (červené) určené k přenosu elektrické energie a datové kabely (modré) určené k přenosu dat.

Je zřejmé, že EMC pevných instalací budou ovlivňovat všechny komponenty v nich použité, takže při posuzování shody bude třeba uvažovat pevnou instalaci jako celek. V žádném případě se nelze spokojit pouze s tím, že se použijí výhradně přístroje s prokázanou shodou, tj. s vydaným prohlášením o shodě a označením CE.

Je zcela logické, že u pevných instalací jako celku nebude při prokazování shody vyžadováno ani prohlášení o shodě, ani označení CE; tyto dokumenty totiž slouží jako jakýsi pas přístroje, jenž umožňuje jeho volný pohyb přes hranice v rámci EU; to u pevné instalace jako typicky nemovitého systému nepřipadá v úvahu. Jinak ovšem i pro pevné instalace musí existovat požadavky na zajištění EMC.

Nová směrnice o EMC [4] požadavky definuje takto: Pevná instalace musí být instalována s použitím správných technických postupů a při respektování údajů o použití komponent pro daný účel, aby byly splněny požadavky na ochranu (viz úvod článku). Tyto správné technické postupy musí být zdokumentovány a dokumentaci uchovává odpovědná osoba nebo osoby po dobu provozování pevné instalace pro potřeby kontroly ze strany příslušných vnitrostátních orgánů.

Podrobněji lze rozvést postup při zajišťování EMC pevných instalací do těchto kroků:

1. 1. Přístroje určené k zabudování do dané pevné instalace, které jsou běžně komerčně dostupné na trhu, musí odpovídat stanoveným požadavkům směrnice o EMC, tj. musí mít vystavené evropské prohlášení o shodě a musí být opatřeny označením CE.

2. 2. Přístroje určené k zabudování do dané pevné instalace, které jinak nejsou na trhu komerčně dostupné, nemusí mít prohlášení o shodě ani označení CE. V jejich průvodní dokumentaci však musí být jednoznačně identifikován konkrétní výrobek a jeho výrobce, specifikována určená pevná instalace a její charakteristiky ohledně EMC, a dále uvedena opatření, jež je třeba přijmout s ohledem na zabudování přístroje do pevné instalace, aby nebyla ohrožena její shoda se základními požadavky v oblasti EMC. Tím jsou míněny např. požadavky na elektromagnetické okolí, na parametry rozvodné napájecí sítě v místě připojení, požadavky na použití dalších přídavných prostředků pro zmírnění elektromagnetického rušení, na podmínky provozování (doba zatěžování, četnost spouštění) apod.

3. 3. Při projektování a realizaci pevné instalace musí být respektovány a splněny všechny požadavky pro použití instalovaných komponent s použitím správných technických postupů zajišťujících požadavky v oblasti EMC.

4. 4. Použité technické postupy musí být zdokumentovány a dokumentace uchovávána po celou dobu provozování pevné instalace.

5. 5. Musí být určena osoba (osoby) odpovídající za uchovávání uvedené dokumentace a za zajištění trvalé shody pevné instalace se základními požadavky po celou dobu jejího provozování.

Pro zajištění uvedených kroků lze doporučit zpracování plánu EMC, který bude podrobně specifikovat podmínky, postupy, termíny a zodpovědnosti v celém průběhu vzniku a provozování dané pevné instalace.

Z uvedeného je zřejmé, že při zabezpečení shody pevné instalace se základními požadavky v oblasti EMC budou významní nejen výrobci jednotlivých komponent, ale i projektové, realizační a uživatelské organizace daného systému.

5. Úloha projektanta

Projektování představuje velmi významnou etapu v zajišťování EMC. Je ostatně známo i z jiných souvislostí, že jakékoliv opomenutí či zanedbání významných skutečností v projektu, které je třeba dodatečně napravovat až při realizaci nebo uvádění do provozu, obvykle znamená podstatný vzrůst nákladů.

Projektant musí zvážit všechna rizika ohrožení EMC, tzn. stanovit nejvíce rušící komponenty i naopak komponenty nejcitlivější na elektromagnetické rušení, jejich situování v celém systému a opatření vhodná pro zmírnění těchto rizik. Musí zajistit, aby všechny komponenty systému měly podle již zmíněných kroků buď ověřenou kompatibilitu, nebo uvedena nutná opatření k jejímu zajištění, a tato opatření v projektu respektovat. Musí stanovit s ohledem na nebezpečí rušení druhy silových i datových kabelů, jejich trasy a případné stínění a specifikovat systém zemnění a ochranného pospojování.

Při projektování je důležité respektovat pevnou instalaci jako systém s možnými vzájemnými interakcemi jeho jednotlivých částí. Jako příklad lze uvést nebezpečí vzniku rezonancí v instalaci s kompenzačními kondenzátory a zdroji harmonických síťového proudu. Při některých konfiguracích indukčních složek připojených zátěží a velikosti kompenzačních kapacit může nastat paralelní rezonance na kmitočtu blížícím se kmitočtu některé existující harmonické. V takovém v podstatě náhodném případě původně nevýznamná harmonická vyvolá zcela nepřípustné deformace síťového napětí, které mohou znemožnit další činnost celého systému. Protože uvedený jev je obtížně předvídatelný, projektují se v současné době do sítí s nesinusovými proudy tzv. zatlumené kompenzační kondenzátorové baterie, které vznik uvedeného havarijního jevu vylučují.

Všechny uvedené a další skutečnosti, které musí projekt pevné instalace respektovat a řešit, je vhodné soustředit do již zmíněného plánu EMC. Ten je vhodné zpracovávat v součinnosti s realizátorem instalace i s jejím budoucím provozovatelem, kteří budou mít rovněž nemalý podíl na jeho plnění. Současně plán EMC představuje předepsanou průvodní dokumentaci dané pevné instalace, obsahující doklad o tom, jak je zajištěno splnění základních požadavků v oblasti EMC.

6. Úloha realizátora

Povinnost realizátora pevné instalace je jednoznačně stanovena v již citovaném ustanovení směrnice o EMC [4], které je zde pro jeho význam zopakováno: Pevná instalace musí být instalována s použitím správných technických postupů a při respektování údajů o použití komponent pro daný účel, aby byly splněny požadavky na ochranu. Struktura a způsob provedení instalace jsou předepsány projektem a zahrnuty v plánu EMC, závažným problémem ovšem je ono „použití správných technických postupů“. Problémem proto, že požadované správné technické postupy z hlediska EMC s ději probíhajícími v širokém kmitočtovém spektru zasahujícím až do oblastí řádově jednotek, desítek až stovek megahertzů se mnohdy výrazně odlišují od obvyklých technických postupů klasické silnoproudé elektrotechniky pohybující se v nízkofrekvenční oblasti a v této oblasti rovněž správných.

Jako příklad může sloužit provedení uzemnění. V klasické silnoproudé elektrotechnice je úkolem uzemnění především ochrana před nebezpečným dotykem, tj. uvedení proniknuvšího síťového napětí na nulový potenciál země. K tomu je třeba provést uzemnění vodičem s minimálním ohmickým odporem, tedy vodičem s co největším průřezem, přičemž při dostatečném průřezu délka uzemňovacího vodiče není příliš důležitá. Naproti tomu v technice elektromagnetického odrušení je úkolem uzemnění svést na nulový potenciál země (kostry) vysokofrekvenční rušivý signál. Tento signál je vlivem tzv. skinefektu veden pouze v tenké povrchové vrstvě zemnicího vodiče. Proto spíše než velikostí průřezu zemnicího vodiče je jeho vysokofrekvenční ohmický odpor dán velikostí jeho povrchu, a lépe než masivní vodič kruhového průřezu lze tedy doporučit tenký širší měděný pásek. Navíc pro odrušovací účely není možné zanedbat vlastní indukčnost zemnicího vodiče, jehož přípustná délka je proto pouze několik málo centimetrů – delší vodič by tvořil spíše anténu vyzařující nežádoucí rušení do okolního prostoru. Toto i mnoho dalších jsou z hlediska klasické silnoproudé techniky často překvapující požadavky, kterým je třeba instalaci přizpůsobit, aby byly použity „správné technické postupy„. Náročným úkolem pracovníků realizujících instalaci kompatibilního systému tedy je tyto postupy ovládnout a důsledně je dodržovat.

7. Úloha provozovatele pevné instalace

Provozovatel uplatňuje svou roli již při uvádění pevné instalace do provozu, kde je povinen podílet se na ověření, zda je instalace provedena podle všech požadavků projektu a správných technických postupů tak, že splňuje základní požadavky na EMC, a takto provedenou pevnou instalaci převzít do používání. Stanovuje také odpovědnou osobu, která přejímá a uchovává průvodní technickou dokumentaci (např. plán EMC) dokladující všechna opatření učiněná pro dosažení shody.

Tím ovšem úloha provozovatele nekončí. Povinností osoby pověřené péčí o EMC pevné instalace je dbát o udržení shody se základními požadavky na kompatibilitu po celou dobu používání instalace. Tato shoda může být narušena dodatečnými zásahy do provozovaného systému nebo i stárnutím systému, kdy může např. dojít k uvolňování či korodování spojů, poškození stínicích prostředků apod. Proto by součástí plánu EMC měl být i plán průběžných kontrol opatření provedených pro dosažení shody a popř. také možnost vykonání mimořádných kontrol při zjištění jakýchkoliv známek nesouladu.

8. Závěry

Nová evropská směrnice o EMC obsahuje několik požadavků na realizaci pevných instalací, které se v mnoha případech liší od současné technické praxe zejména použitím vysokofrekvenčních aspektů v oblasti silových elektrických systémů, kde byly dosud většinou neznámé. Poměrně dlouhé přechodné období před plnou platností nové směrnice poskytuje dostatek času na potřebnou přípravu a osvojení znalostí a postupů vyžadovaných pro zajištění elektromagnetické kompatibility pevných instalací. V úvahu je třeba brát také skutečnost, že nové požadavky se vedle výrobců dotknou i poměrně širokého okruhu dalších technických pracovníků.

Předkládaný článek je úvodním seznámením s problematikou a naznačuje některé problémy, které vyžadují hlubší vysvětlení. Autoři proto předpokládají, že bude následován seriálem navazujících článků věnovaných otázkám souvisejícím s elektromagnetickou kompatibilitou v technické praxi. Postupně by měly být probrány jednotlivé typy elektromagnetického rušení a způsoby jejich omezování vhodnými postupy a prostředky, včetně ověřování shody.

Literatura:
[1] Council Directive 89/336/EEC of 3 May 1989 on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility. Official Journal of the European Communities, No L 139/1989. Aktualizace 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC, 93/97/EEC.
[2] Nařízení vlády 18/2003 Sb. ze dne 9. prosince 2002, kterým se stanoví technické požadavky na výrobky z hlediska jejich elektromagnetické kompatibility. Sbírka zákonů č. 18/2003, částka 9.
[3] Zákon č. 22/1997 Sb. ze dne 24. ledna 1997, o technických požadavcích na výrobky, ve znění pozdějších předpisů.
[4] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2004/108/ES ze dne 15. prosince 2004 o sbližování právních předpisů členských států týkajících se elektromagnetické kompatibility a o zrušení směrnice 89/336/EHS. Úřední věstník Evropské unie, L 390/2004.

doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc.
(zacek@fel.cvut.cz),
Ing. Karel Künzel, CSc.
(kuenzel@fel.cvut.cz),
katedra elektrotechnologie,
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze